岡山理科大学学術リポジトリ

岡山理科大学紀要第47号App27-32(2011）

柔軟空気圧アクチュエータを用いた探索型レスキューロボットの試作

川崎貴博。赤木徹也＊・堂田周治郎＊・王琳

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岡山理科大学大学院工学研究系|･知能機械工学専攻

＊岡山理科大学工学部知能機械工学科

（2011年９月29日受付、2011年11月７日受理）

ステージから構成される．また，チューブと内部の鋼 球の間には，潤滑のためシリコーングリスを塗布して いる．

１．緒言

近年，地震や地球温暖化に伴う異常気象などの影響 で水害を伴う自然災害が多発している.最近では,２００８ 年の岩手。宮城内陸地震や2009年の中国。九州北部豪 雨災害，２Cl1年の東日本大震災などが記憶に新しい．

これらの事例では,大規模な崩落や土砂崩れ,土石流，

また大雨による都市型水害などが報告されている．特 に，土石流などでは民家に大量の土砂が侵入し，生き 埋めになるといったケースも珍しくない！)'2)．こうい った水分を含む環境下での要救助者や遺体の探索では，

感電による２次災害の危険から空気圧アクチュエータ を用いたロボットを使用するのも有効な手段の1つで ある．また，被災地など不整地での移動では，ロボッ トが落下や横転など大きな衝撃を受ける場面が多い．

そのため，ロボット本体の構造を頑健にする場合が多 いが，重量が大きくなり機動性が劣ってしまう．そこ でロボットとして軽量で柔軟な構造を有するものを開 発するのも，１つの有効な手段と考える.そこで本研究 では，衝撃に強い柔軟な構造を有し，さらに水分や土 砂を含む環境下で使用する探索型レスキューロボット ３Ｍ)の開発を目指す．つまり，感電の危険性が少なく 軽量で柔軟な空気圧アクチュエータを用いた探索型の

レスキューロボットの開発を検討する．

２－２柔軟空気圧シリンダの動作原理

柔軟空気圧シリンダの動作原理は以下の通りである．

まず，図１の片側の圧力室を加圧すると，真楡製ロー ラに力が伝わり，ステージが動く．ここで，シリンダ 内のシールは，チューブ自身がパッキンの役割を果た すことで行う．また，内部の鋼球は，シリンダチュー ブが湾曲しても直線動作と同様にステージに動力を伝 えることができる．また，シリンダの動作として図２ に湾曲したチューブ上でのスライドステージの動作と，

スライドステージを保持した状態での動作の様子を示 す．図２に示すように，曲がったシリンダ上でもスラ イドステージはスムーズに移動できているのが分かる また，ステージを固定することで，押出し動作も可能 であるこのシリンダの最低駆動圧力はl20kPaである．

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２．ロッドレス型柔軟空気圧シリンダ ２－１柔軟空気圧シリンダの構造

柔軟性を有したロボットを開発する上で必要となる 柔軟な空気圧アクチュエータとして，図１に以前開発 したロッドレス型柔軟空気圧シリンダ5)の構造を示す．

シリンダは,柔軟チューブ(㈱SMCTUS1208)と，直径9ｍ の2個の鋼球，２個の鋼球の間のチューブを外側より直 径4mmの真鐡製ローラにより締付けを行ったスライド

Fig2Movementofrodlessb/peflexible pneumaticcylinder

3．柔軟空気圧シリンダ用いたレスキューロボット ３－１ロボットの構造と動作原理

図３に柔軟空気圧シリンダを用いたスライド型推進

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FiglRodlessb/peflexiblepneumaticcylinder

2８ 川lllif貴博・赤木徹也・堂田周治郎・王琳

機構を有するレスキニーロボットを示す，ロボットは ストローク550mmの3本のロッドレス型柔軟空気圧シリ

ンダ，配管用の1本の柔軟チューブ(㈱SMCTUS1208)，

推進を行うための開閉爪付スライドステージ，湾曲時 のずれを防ぐためのガイド，空気圧シリンダを駆動す るための8つのON/OFF弁とマイクロコンピュータ（(株）

ルネサステクノロジＨ８/3664）から構成される．柔軟 空気圧シリンダは，そのステージの中心から半径12ｍ で中心軸から90deg・の位置に並列に３本配置し，同じ

く90.e9.の位置に配管用のチューブを配置している．

ロボットのサイズは長さ1120mm，直径70mmであり，質

量は1.08kgと軽量である

リンダのチューブ端を図２の押し出し動作のように伸 ばすことで，固定端側を左方向に引き寄せ，推進する というものであるこの推進方法では３本のシリンダ

の圧力室に同時に加圧している．

３－３．ロボットの動作実験

ロボットの動作実験として,図５に湾曲動作(図５①

～③参照)と上方推進動作(図５④～⑥参照)の様子を 示す．図５①～③に示す実験では，前述の推進動作の 場合と違い,3本のシリンダ圧力室を同時に加圧するの ではなく，１本のシリンダの圧力室を加圧した状態でそ の他2本のシリンダの逆側の圧力室を加圧する．これに より，スライドステージを挟んで，それぞれ反対方向 に力が加わり，湾曲角90度以上の滑らかな湾曲が実現 できた．また，スライドステージを手で保持して3本の シリンダの片側のみ加圧(350～400kPa)した上昇実験 でも約220mm/sの速度でチューブが推進できることを 確認した．また，図５にも示す様に，ロボットは柔軟 空気圧シリンダでできており，さらに，曲がってもス ライド動作が可能であるため，ロボットに衝蝶が加わ

ってもロボット自身が変形して，力を逃がすことがで きる．

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３－２ロボットの推進原理

ロボットの推進原理を，図４に示す．このロボット は狭陸な空間内の移動を考えたものである．

図４に示すように固定端側つまり，図４の右側の開閉 爪を開いて(図４②参照)土砂に対して引っかかりをつ くった状態で，柔軟空気圧シリンダの右側の圧力室を 加圧し，スライドステージについた開閉爪をシリンダ 端部まで押し出す(図４③参照)．次に押し出したスラ イド側の開閉爪を開き,引っかかりをつくり(図４④参

照)，固定端側の開閉爪を閉じ(図４⑤参照)，その後

柔軟空気圧シリンダ左側の圧力室を加圧し，空気圧シ

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Fig5Motionofthetestedrobot ４．長変位型ゴム人エ筋

４－１長変位型ゴム人工筋の構造

前述の柔軟空気圧シリンダはシリンダ1本当たりの 発生力が約15Nと比較的小さい．これは1kg程度の軽量 なロボットの推進用のアクチュエータとしては有効で

あるが，５kg以上のロボットに対しては力不足である.

そこで，さらに大きな力を生じる柔軟な空気圧アクチ

ュエータとして，以前に開発した「長変付麺空気圧ゴ

ム人工筋」６)を図６に示す．試作アクチュエータの構 造は，網目状繊維をゴムでコーティングした市販のゴ ム人工筋（㈱FESTOMXAM-lO，初期内径10ｍ)と内径部

に①5mmの鋼球を周方向に配置した転がり接触型スラ イドステージから構成される．ゴム人工筋はチューブ

内部にあるの14mmの鋼球を鋼球のついたステージ部で 周方向から押さえ付けることで,２つの圧力室を構成し

ている.さらにステージ部のの5mmの鋼球が回転しなが らチューブを周方向から均等に締め付けることによっ て，ステージ部での摺動摩擦を減らすことが可能であ る．このアクチュエータは500kPaの印加圧力でもシー ルを保ち,さらに最低駆動圧力も64kPaと比較的小さい

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Fig40peratingprincipleofthetcstedrobot

柔軟空気圧アクチュエータを用いた探索型レスキューロポットの試作

2９

５．長変位型ゴム人エ筋を用いたレスキューロボット

５－１ロボットの構造

図８に長変位ゴム人工筋を用いたロボットの全体図 を示す．ロボットは，空気圧モータを推進の駆動源と し，空気圧シリンダを用いた周方向開閉機構を有する 移動ユニット,4本の長変位型ゴム人工筋とスライドス テージから構成される方向転換ユニット，ゴム人工筋 を駆動するためのON/OFF弁や制御用のマイクロコンピ ュータ（㈱ルネサステクノロジーＨ８/3664）が内封さ れた弁制御ユニットから構成される．ロボット全体の サイズは長さ550mm,外径は周方向開閉機構が閉じた状 態で2901,,,開いた状態では490ｍであり，質量は約6ｋｇ である．全てのアクチュエータの駆動に空気圧を用い ることで，水などを含む悪環境で感電の心配がなく使 用できる．また，前述の長変位ゴム人工筋を方向転換 ユニットに用いることで，ロボットの長軸方向に曲げ モーメントが加わっても，方向転換ユニットの柔軟性

により，モーメントを吸収することが可能である．

特性を有する

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Fig6ConstructionofMckibbenactuator withlongstrokemotion ４－２長変位型ゴム人工筋の動作原理

図７にアクチュエータの動作原理の概略図を示す．

ここでスライドステージを挟んで左側をA側，右側をＢ 側と呼ぶ．動作原理はまず，図７の①のステージ部を 固定した状態からＡ(自由端)側のチューブに印加する (図７の②参照)ことで，ステージ部に小さな引張り力 が生じ，対象物に接続されたB側のチューブがA側に引 込まれる．このチューブが引っ張られた状態で，さら にB側を加圧する(図７③参照)と，Ｂ側はゴム人工筋と して作用し大きな発生力を生じ，対象物を動かす．ま

た,B側を排気することで,チューブにたわみが生じ(④

参照),A側に常に生じている引張り力によりB側のチュ ーブが引込まれ，長さが短くなる．同様に図７⑤から 図７⑥のようにB側のチューブへの給排気を繰り返す ことで，ストロークを可変しながら重量物の長変位引 込み動作が可能になる上述の動作での発生力は150Ｎ 以上と非常に大きく，片側の圧力室に加圧した場合で

も約20Nの押出し力が得られる．

Valvecontrol

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Fig8Rescuerobotdrivenbypneumaticactuators ５－２空気圧モータを用いた移動ユニット

図９に移動ユニットの構成を示す．移動ユニットは ラジアルピストン型空気圧モータ(㈱TAIYOTAM4-10）

と空気圧シリンダ(㈱KOGANEIPBSA10×30-71ギア部

とまたそれらを固定するフレームから構成される．動

力伝達の流れは図９(a)に示すように,ロボットの中心 に設置した空気圧モータの回転動力を，モータ軸に取 り付けたウォームに伝え,放射状に配置された3つのウ ォームホイールに伝える．次に，それぞれ平歯車，ス プロケット,ラダーチェーンを介して3個の開閉ユニッ トに設置された計12個の球状タイヤを動かす．以上の ように，１つの空気圧モータの動力を，ロボットの中心 からl20deg・に放射状に配置された開閉ユニットの球 状タイヤに伝えることによりロボットが転倒した状態

でも走行が可能となるまた球》伏タイヤは状況により フィン(羽根)のついたタイヤにも変更可能である．

また,３つの開閉ユニットは空気圧シリンダを使って 放射状に開閉する能力を有する．これは，ユニット内 部にある一端を軸部に，もう一端を本体との接続部に

Fig70peratingprincipleofMckibbenactuator

withlongstrokemotion

3０

111111高貴薑博・赤木徹也・堂田周治郎・王琳

固定することでユニット自体を可動できる．また前述

のようにユニットにはラダーチェーンが2つ並列に配

置され，このユニットが開いた状態でも，モータの回

転力を球状タイヤに伝えることができる．この機能は，

ロボットがスタックした状況から回復するためや駆動 ユニット自体でロボットを保持するため，また，ロボ

ットの姿勢を変えるなど走行能力を向上させるための ものであるが，同時に走行時にロボット軸中心に向か って加わる力に対してダンパの役割を果たす．図10に 開閉ユニットの開閉状態の様子を示す．図１０に示すよ うに，この開閉ユニットの最大可変角度は水平から

6ode9.である．

５－３長変位ゴム人工筋を用いた方向転換ユニット 図11に長変位ゴム人工筋を用いた方向転換ユーット

の概観を示す．ユニットは中心から半径96mmに並列に

配置された4本の長変位ゴム人工筋の一端を固定端と し，中央のスライドステージにステージ部に垂直に６

個の補助輪を有し，ロボットの方向転換を補助するた

めのものである．またこの補助輪はフィンにも変更可

能である．方向転換の動作原理は，曲げたい方向にあ

る人工筋の固定端側を加圧し，その対称の位置にある 人工筋の自由端側を加圧することにより，スムーズに

補助輪のついたスライドステージが傾くことができ，

推進の際の方向を変えることができる．

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Figl2Robotcontrolsystemuslngserialcommunication

６．走行制御システム

６－１操作制御システムの構成

図12に有線による操作制御システムの構成を示す．

システムは空気圧モータと3本の空気圧シリンダ，４本 の長変位ゴム人工筋，１３個のON/OFF弁(㈱KOGANEI GO10HE-1)とﾏｲｸﾛｺﾝﾋﾟｭｰﾀ(H8/3664入トラン ジスタを用いた制御回路から構成されるこれらの装 置は防水のできる弁コントロールユニット内に内封さ れている．制御の流れは，まずパソコンより入力され るコードがシリアルケーブル(RS-232C)を通じてマイ

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柔軟空気圧アクチュエータを用いた探索型レスキューロポットの試作 ^3１

シリンダの開発とその応用，日本機械学会論文集

（C編),ＶＯＬ73,No.７３１，pp2108-2114（2007）

6）赤木徹也・堂田周治郎：ロングストローク動作 可能なマッキベン型アクチュエータの開発，

日本機械学会論文集(C編），ＶｏＬ７３，No.７３５，

pp2996-3002（2007）

7）KengoHarihara,TetsuyaAkagi,ShUjiroDohtaand FcngZhang：DevelopmentofaSearchTypeRescue RobotDrivenbyPneumaticAcmatoEProceedings ofSICEAnnualConfbrcncc2010,ppl311-l317(2010）

コンヘ送信される．マイコン内ではそのコメントを内 部のシリアル通信ポートを介して受信し，受信コード に対応するプログラムを実行し，I/Oポートを介して ON/OFF弁の操作を可能にする．また実験ではコードの 受信確認のために，マイコンからコードに対応した動 作をメッセージとしてパソコン側へ送信している．

６－２走行実験

図１３に動作確認のため有線による操作システムを 用いて，平坦な床上で行った走行実験風景を示す．ロ ボットは前進，後退や左右旋回が可能であり，また空 気圧シリンダを用いた開閉ユニットにより，ユニット が開いた状態でもスプロケット介して球状のタイヤに 動力を伝達できることを確認している

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Figl3Motionofthetestedrobot

７．結言

本研究では,衝撃に対する耐性のため柔軟性を有し，

さらに水分を含む環境下でも使用できるレスキューロ ボットとして狭陸空間を柔軟に移動するため柔軟空気 圧シリンダを用いたロボットと空気圧モータと長変位 型空気圧ゴム人工筋を用いた探索型レスキューロボッ トを提案し，試作した．また，マイコンを用いて，ＰＣ からの文字コードによる操作システムやPS2用ジョイ スティックによる操作システムを提案，試作し，ロボ

ットの動作を確認した．

今後の課題として，試作したロボットや推進機構を 用いて実環境下での走行実験を行う予定である．

参考文献

1）山口県ホームページ,防災危機管理課，

災害記録～平成２１年７月２１日豪雨災害～

http://www・prefyamaguchi,１９.ｊｐ/cms/alO900/bousai／

20090721saigaihtml

2）岩手・宮城内陸地震-社団法人共同通信者ニュース 特集－，不明者捜索難航、長期化も作業を阻む 大量の土砂

http://www,kyodonews・叩/feature/iwate-miyagi-eartb quake/2008/06/post-5ahtml

3）田所諭:ロボティクスと関連技術による災害対応，

日本機械学会誌，Vol､１１２，No.1091,ｐｐ３５－３６（2009）

4）田中良典。新井雅之・津久井慎吾・広瀬茂男：瓦 礫内推進連結クローラ走行車「蒼龍Ｖ号機」の開発,シス テムインテグレーション部門講演会講演論文集，

pp319-320（2005）

5）赤木徹也・堂田周治郎：ロッドレス型柔軟空気圧

3２

川１１１奇貴博・赤木徹也・堂田周治郎・王琳

Development ofSearchTypeRescueRobotUsingF1exible

PneumaticActuator

TakahiroKawasaki瀦,TetsuyaAkagr*,ShujiroDohta瀧瀦andLinWang群

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論のeparkmentofmZaZliganrJ1iｦchambaJEh“eeringFhczzZry'clfEhzg㎡neermg

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（ReceivedSeptember29，2011;acceptedNovember7,２０11）

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carbondioxidearehappenedfrequently・Specifically,ｉｎ2011,EastJapanGreatEarthquakecausedthe seriousflooddamagebyTmnami・Thesenewscanbeheardallovertheworld､Insuchasituation,ｔｈe

rescuerobotsarerequiredthehighermobilityforthehazardousenvironmentsuchasunevennarrow

spaceｏｒｗｅｔｍｕｄ・Inordertogetthehighermobilityinsuchtheenvironment,wethinkthatthevariable structurethatcanchangetheshapeoftherobotaccordingtothenarrowareaisoneofsolutionsforthis

problem・Inaddition,afluidicactuatorsuchaspneumaticactuatorisalsousefuLbecauseitiseasyto

makewaterproofAsamethodofdeformingtheshapeoftherobot,thecombinationoftheactuators

withhighstiffnessiscommonlyusedInideal,itismoredesirablethattheshapeoftherobotchanges naturallybecauseofthelowerenergyconsumption,Inthisstudy,weaimtodevelopthesearchtype

rescuerobotwithflexiblestructureusingflexiblepneurnaticactuators・Inthispaper,twotypesofrobot

wereproposedandtested・First，wedeveloptheflexiblernobilemechanismforarescuerobot､The

proposedslidingmechanismconsistsofthreeflexiblecylindersthataresetonparallelandtwo expanｄｉｎｇｃｌａｗｕｎｉｔｓｔｏｈｏｌｄｉｔｉｎｎａｒｒｏｗｓｐａｃｅｂｙｔｈｅｕｓｅｏｆｃｌａｗｓ・Eachendofthecylinderis

connectedeachother・ThreeslidestagesareconnectedwiththeclawunitTheotherclawunitiｓｓｅｔｏｎ

ｔｈｅoneendofthecylinder・Asaresult，wecanconfirmthattheslidingmechanismcanbendby changingthepressurizedchamberinthecylinder､Themechanismcanalsotravelinthenarrowspace

smoothlybyslidingthｅｃｌａｗｕｎｉｔｗｉｔｈｔｈｅｓｌｉｄｅｓｔａｇｅａｓａｎinchworm・

Inaddition，arescuerobotusingapneumaticrnotorandthelongstroketypeartificialrubber

muscleswasproposedandtested・Therobotiscomposedofthreeunits，Ｏｎｅｉｓ“amobileunit',ｔｈａｔ ｍａｋｅｓｔｈｅｒｏｂｏｔｍｏｖｅｆｏｒｗａｒｄｏｒbackward､Ｔｈｅｍｉｄｄｌｅｏｎｅｉｓ６`avalvecontrolunit”thatconsistsof

thirteenon/offcontrolvalvesandamicro-computer・Ｔheseelementsaresurroundedbyanacrylic

cylindricalchamberconnectedtoanexhaustpipethatincludesanairsupplypipeandelectricalcables init､ThechamberisisolatedfjromtheouterenvironmenttomakethemwaterpｒｏｏｆＴｈｅｏｔｈｅｒｉｓ“a

steeringunit，，thatcanchangetheforwarddirectionusingtheMcKibbenartificialmusclewithalong

strokemotionTherobotalsohastheopeningandclosingmechanismTheprmcipleofoperationand theperformanceofthetestedrobotsarealsodescribedinthepaper・Asaresult,thetestedrobotcould beoperatedwelLWecanconfirmthepossibilityandthevalidityofthetestedrobotforapplyinginthe

wetcondition．

Keywords:rescuerobot;flexiblestructure;flexiblepneumaticcyhnder;fneumaticmotor；

McKibbenaTtifiGtFBlmuscle．